[論文レビュー] An Analytic Model for Nano Confined Fluids Phase-Transition (Applications for Confined Fluids in Nanotube and Nanoslit)

Ezat Keshavarzi, R. Sohrabi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2018

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、統計力学の摂動理論に基づく解析的モデルを提示し、壁に起因する自由度とテンソル型圧力を考慮して、ナノスケールに閉じ込められた流体の相転移を予測する。臨界温度はナノコンフィナメントサイズが小さくなるにつれて上昇し、系のサイズが増加するに従い漸近的にバルク値に近づくことが示された。また、ナノチューブやナノスリットにおける相転移時の局所的密度および相の断片化も捉えている。

ABSTRACT

In this report, an analytic model to predict phase transitions of confined fluids in nano systems is presented and it is used to predict the behavior of the confined fluid in nanotubes and nanoslits. In our approach besides including a third degree of freedom due to wall effect to define the state of the system, the tensorial character for pressure is considered. Using the perturbation theory of statistical mechanics it is shown that the van der Waals equation of state is equally valid for small as well as large systems. The model proposed is shown to predict the liquid-vapor phase transition as well as the critical point in any size confined fluid systems. It is also shown that the critical temperature increases with the size of the nano system and finally it reaches the macroscopic critical temperature value as the diameter of the nanotube (or width of the nanoslit) approaches infinity. The proposed model can also demonstrate the existence of the local density and phase fragmentations during phase transitions in a confined nano system.

研究の動機と目的

• ナノチューブやナノスリットなどのナノスケールの閉じ込め状態における流体の相転移を予測可能な解析的モデルの構築を目的とする。
• 壁の効果に起因する第3の自由度を導入することで、壁の影響を組み込むことを目的とする。
• 統計力学的摂動理論を用いて、ヴァン・デル・ワールス状態方程式の有効範囲を、小規模および大規模な系にまで拡張することを目的とする。
• 系のサイズが閉じ込められた流体の臨界温度および相挙動に与える影響を分析することを目的とする。
• ナノコンパクト系における相転移時の局所的密度および相の断片化を捉えること。

提案手法

• 統計力学的摂動理論を応用し、閉じ込められた流体の状態方程式を導出する。
• 壁の効果を反映させるために、追加の自由度を導入して系の状態を記述する。
• ナノスケールの閉じ込め系における圧力のテンソル的性質を考慮し、異方的力の影響を反映する。
• 摂動理論を用いてヴァン・デル・ワールス状態方程式をナノスケール系に適応させる。
• モデルを用いて、閉じ込められた幾何形状における液体-蒸気相転移および臨界点を予測する。
• ナノチューブの直径およびナノスリットの幅に伴う臨界温度の依存関係について、数値的および解析的分析を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノコンフィナメントは流体の臨界温度にどのように影響するか？
• RQ2 統計力学的理論を用いて、ヴァン・デル・ワールス状態方程式をナノスケールに閉じ込められた流体に一貫して適用可能か？
• RQ3 壁に起因する自由度は、閉じ込められた流体の相挙動にどのような役割を果たすか？
• RQ4 圧力のテンソル的性質は、ナノスケール系における相転移予測にどのように影響するか？
• RQ5 ナノコンパクト系における相転移時に、局所的密度および相の断片化はどの程度顕在化するか？

主な発見

• 閉じ込められた流体の臨界温度は、系のサイズが小さくなるにつれて上昇し、特に細いナノチューブやナノスリットで顕著である。
• ナノチューブの直径やナノスリットの幅が無限大に近づくと、臨界温度はマクロな値に収束する。
• モデルは、修正されたヴァン・デル・ワールス状態方程式を用いて、ナノチューブおよびナノスリットの両方における液体-蒸気相転移を成功裏に予測した。
• 壁に起因する自由度とテンソル型圧力の組み込みにより、ナノコンパクト系における相転移予測の精度が向上した。
• モデルは、閉じ込められたナノ構造における相転移時に局所的密度および相の断片化が存在することを明らかにした。
• 摂動理論のアプローチにより、ヴァン・デル・ワールス状態方程式が、閉じ込められた状態の小規模および大規模な系の両方で有効であることが確認された。